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北化劉勇團隊 ACS AMI:電紡高導熱復材
2023-09-05  來源:高分子科技

  近年來,電子集成技術的發展導致對微型化和高集成度電子設備的需求日益增長,高功率和高能量密度以及快速充放電循環導致熱量在電子元件中快速積聚,嚴重損害了電子元件的可靠性、穩定性和電子設備的整體壽命。導熱聚合物材料具有良好的柔韌性、良好的電絕緣性、強大的機械和熱性能以及緊湊的設計,在 LED 散熱領域、5G 通信設備和電子封裝的應用中具有廣泛的吸引力。然而,大多數聚合物都是熱的不良導體,其固有熱導率通常小于0.5 W/(m·K),在實際應用中還存在散熱性能不足等短板。



  北京化工大學材料學院劉勇團隊利用靜電紡絲、真空過濾沉積和熱壓等方法,成功設計制備了具有優異導熱性和電絕緣性能的聚乙烯醇/聚多巴胺改性氮化硼納米片(PVA/BNNS@PDA)納米復合材料(圖1)。通過真空過濾將BNNS@PDA分散體均勻沉積在電紡PVA納米纖維墊上,獲得連續的填料層。最后堆疊多張纖維墊并經熱壓形成具有多層結構的納米復合材料(圖2)。


1. 多層結構聚合物復合材料制備流程圖 


. 2. 多層結構聚合物復合材料相關形貌表征


  改進的結構和功能特性賦予 PVA/BNNS@PDA 納米復合材料高導熱性。首先,BNNS@PDA的表面PDA層有效提高了填料與聚合物基體之間的界面相容性,并顯著降低了它們間的界面熱阻;其次,BNNS具有高長徑比,在真空過濾沉積和熱壓下表現出高取向,真空過濾可以使填料均勻沉積在聚合物纖維墊中,避免填料團聚并確保提高導熱性,即使在低 BNNS 負載下也是如此。第三,BNNS@PDA導熱填料和聚合物基體層的交替排列提供了通過相同物質之間的界面的聲子傳輸, 因此相同的聲子振動特性導致界面處的聲子散射較少,復合材料表現出更好的傳熱效率。憑借這些特點,PVA/BNNS@PDA納米復合材料表現出16.6 W/(m·K)的超高面內導熱系數(BNNS@PDA含量為35.54 wt%)(圖3)和散熱性能(圖4)。納米復合材料在經折疊 2000 次,導熱系數也未有明顯變化,并且不會出現任何裂紋,顯示出優異的柔韌性和耐剝離性(圖5)。 


. 3. 多層結構聚合物復合材料導熱系數及機理圖
 

. 4. 多層結構聚合物復合材料實際散熱性能測試 


.5. 多層結構聚合物復合材料柔韌性


  該工作以“Constructing Hierarchical Polymer Nanocomposites with Strongly Enhanced Thermal Conductivity”為題發表在ACS Appl. Mater. Interfaces上。北京化工大學材料科學與工程學院2023屆碩士畢業生周建偉為本文第一作者,該研究得到國家自然科學基金的支持(21374008)。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsami.3c09847
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(責任編輯:xu)
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